【正文】 開發(fā) ,基于 WINDOWS 的應(yīng)用軟件，該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表 (STL)語言、梯形圖 (LAD)語言、功能塊圖 (FWD)語言。 （ 4）．線圈的連接 使用一個(gè)條件驅(qū)動(dòng)多個(gè)線圈時(shí)，不能串聯(lián)，只能并聯(lián)。 水泵閥門主電路用兩個(gè)交流接觸器來控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。然后再由 PLC 迅速發(fā)出命令，快速吸合工頻接觸器，如此便實(shí)現(xiàn)了快速切換的目的。 組間切換是根據(jù)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短來自動(dòng)完成不同機(jī)組件的切換。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的熱繼電器輸入，報(bào)警指示輸出既需要四個(gè)端口顯示哪一臺(tái)電機(jī)故障，也需要一個(gè) 輸出端子進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警輸出。 控制系統(tǒng)軟件的工作過程 控制系統(tǒng)軟件的工作過程如下：在系統(tǒng)開始的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始的時(shí)候，先對(duì)管網(wǎng)水位和電機(jī)頻率采樣，并作平均處理，然后再賦予一定的初值，開始啟動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，在這里假設(shè)選擇 1和 2電機(jī)運(yùn)行，詳細(xì)的工作過程如下： 當(dāng)按下 XSM1234 時(shí)，可以使整個(gè)系統(tǒng)關(guān)機(jī)；當(dāng)按下 XCV1234 時(shí)，可以使整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閥；當(dāng)按下 X12 開關(guān)時(shí)，選擇 1和 2電機(jī)運(yùn)行，同時(shí) YVF11 通電，實(shí)現(xiàn) 1電機(jī)變頻運(yùn)行， MAR11 通電，同時(shí)， T120 延時(shí) 2 秒，在 1變頻運(yùn)行的同時(shí)， 通過 MAR11 使變頻器的 FWD— CM合上， BX— CM保持原來狀態(tài)。工作過程就如此循環(huán)。 6．電機(jī)頻率 f 值一般在 45— 50HZ，其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制范圍是： 32700— 29500； 管網(wǎng)壓力 P 一般在 — ，其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制范圍是： 17450— 17200。 T101， T102 是變頻運(yùn)行時(shí)先合上變頻運(yùn)行開關(guān)，才接通變頻器，所需的時(shí)間比較長(zhǎng)。模糊邏輯把客觀邏輯世界看成是具有連續(xù)灰度等級(jí)變化的，它允許一個(gè)命題亦此亦彼，存在著部分肯 20 定和部分否定，只不過隸屬程度不同而已。在傳統(tǒng)控制器中，參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是根據(jù)對(duì)由一組微分方程描述的過程模型的狀態(tài)分析和綜合來進(jìn)行的，而模糊控制器參數(shù)或控制輸出是從過程函數(shù)的邏輯模型產(chǎn)生的規(guī)則來進(jìn)行的，改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制規(guī)則。 4)容易實(shí)現(xiàn)。由于模糊控制規(guī)則用模糊條件語句來描述，有時(shí)也稱為模糊語言控制器。在模糊控制器推理過程中，數(shù)據(jù)庫向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。解模糊化接口主要由兩個(gè)功能： 1).量程轉(zhuǎn)換：把輸出作用的論域轉(zhuǎn)化為輸出物理量的變化范圍，在運(yùn)行時(shí)解模糊求模糊化接口 解模糊接口推理決策被控對(duì)象知識(shí)庫數(shù)據(jù)庫 規(guī)則庫 圖 51 模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 22 得的輸出論域上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為輸出的物理量的值； 2).解模糊：把由推理機(jī)得到的模糊的控制作用轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確的控制量，這個(gè)控制量時(shí)輸出論域上的一個(gè)點(diǎn)。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 52 所示。 （ 3） 輸出量的模糊判決。在模糊化過程中要解決幾個(gè)問題：論域離散化、確定量化因子和比例因子，確定語言變量以及語言變量的子集。取模糊隸屬函數(shù)如圖 52 所示。 24 6 4 圖 52 模 糊控制系統(tǒng)方框圖 模糊控制算法 模糊控制算法或稱模糊控制規(guī)則，是將操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)而得到的一條條的模糊條件語句。因此系統(tǒng)的輸入量是水池水位的變化偏差和偏差變化率。 根據(jù)參數(shù) KP、 KI和 KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可以得到對(duì)于不同的偏差 e 和偏差變化率 ec時(shí)，參數(shù)的自整定原則 [26,27,28,29]： 1)當(dāng) 偏差 |e|較大，系統(tǒng)處于響應(yīng)階段，為加快響應(yīng)速度并防止開始時(shí) 偏差 |e|瞬間變大，需要取較大的 KP。 3)若 e*ec 0，說明誤差在向絕對(duì)值減小的方向變化。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。 (2)輸入變量的模糊化 控制器控制水池水位是通過改變變頻器的輸出從而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)應(yīng)的隸書函數(shù)不能太小，如在論域某一點(diǎn)隸書函數(shù)覆蓋不到或值太小則會(huì)出現(xiàn)失控。 為了確保被控對(duì)象在過程中保持最佳，對(duì)一些響應(yīng)過程長(zhǎng)的大慣性 系統(tǒng)可以用幾組量化因子 /比例因子，在控制過程的不同狀態(tài)使用不同的因子，以取得滿意的效果。 控制對(duì)象輸出判決算法c化 誤差d /d t給定反饋控制器圖 52 模糊控制系統(tǒng)方框圖 23 一、 模糊化 從沒，模糊控制器 FLC 的結(jié)果圖沙鍋內(nèi)可以看出，模糊控制器的輸入與輸出都是精確量。 （ 2） 模糊控制算法設(shè)計(jì)。 模糊控制是依據(jù)模糊控制規(guī)則 進(jìn)行控制，而模糊控制規(guī)則是熟練工作人員或控制專家經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐，有意或無意地綜合考慮各種因素，通過操作者的學(xué)習(xí)，測(cè)驗(yàn)及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累的出的控制策略。 (Defuzzication Interface) 解模糊與模糊化相反，是由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換過程。所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)的論域以及這些論域上所定義的規(guī)則庫中所使用的全部模糊子集的定義都存放在數(shù)據(jù)庫中。因此模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。 3)控制規(guī)則容易理解。尤其是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件的不斷成熟和價(jià)格下降，必將進(jìn)一步促進(jìn)我國模糊控制技術(shù)在工業(yè)過程控制等各個(gè)方面的應(yīng)用得到更大發(fā)展。 模糊理論是美國柏克萊加州大學(xué)電氣工程系 教授于 1965 年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的，主要包括模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。定時(shí)器有三種： 1 接通延時(shí)定時(shí)器，指令是 TON； 2 有記憶接通延時(shí)器，指令是： TONR； 3 斷開延時(shí)定時(shí)器，指令是 TOF。 5．變頻恒水位供水系統(tǒng)高速范圍的確定：水泵調(diào)速具有一定的范圍，不同水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需的揚(yáng)程或壓力決定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)，可確定此泵的最大調(diào)速范圍，再根 據(jù)用戶的揚(yáng)程或壓力確定具體低調(diào)頻范圍，一般情況下，其頻率變化在 40HZ 以上（一般不低于 45HZ），也就是說轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在 50%— 100%范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)的效率都在高效區(qū)。 YSJ134 延時(shí) 40 秒后開始工作， YSJ134 和 MCR13 的常開觸點(diǎn)閉合， YVF11通電，實(shí)現(xiàn) 1變頻運(yùn)行，同時(shí) MAR11 通電， T120 延時(shí) 2 秒后實(shí)現(xiàn)開閥和關(guān)閥。自由數(shù)據(jù)通信子程序設(shè)計(jì)就是要求把當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、水池水位、電機(jī)頻率一起傳輸給自由通信口。當(dāng)按下一組電機(jī)停止按鈕時(shí)，該水泵機(jī)組的所有運(yùn)行的電機(jī)都會(huì)停止運(yùn)行。在水泵電機(jī)換機(jī)程序設(shè)計(jì)中，必須認(rèn)真考慮這三個(gè)切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個(gè)工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常切換與運(yùn)行。 /工頻切換程序 小功率水泵電機(jī)變頻起動(dòng)后，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到 50Hz 時(shí)，先由鑒頻鑒相控制器檢測(cè)工頻電源和變頻輸出電源相位是否一致，若相位一致， PLC 的擴(kuò)展模塊接受控制器 4 端子的 0V電壓信號(hào)，經(jīng)由 PLC 比較計(jì)算， PLC 執(zhí)行一系列動(dòng)作 ,使 BXCM之間接通，切斷變頻器的輸出，使變頻器的輸出電流為零。特別是對(duì)于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動(dòng)和變頻輸出電源拖動(dòng)兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否 16 則在變頻 ／工頻的切換過程中會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。 （ 2）．編號(hào)分配 對(duì)于外接電路的各元件分配編號(hào)，編號(hào)的分配必須是主機(jī)或者擴(kuò)展模塊本身實(shí)際提供的，而且可以用來編程，兩個(gè)設(shè)備不能共用一個(gè)輸入輸出點(diǎn)。功能塊圖 (FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端， 輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的 連接方式基本相同。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)（ 16bit）的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)（ 16bit）的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 PLC與這些交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)控 制系統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離，保護(hù) PLC 設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。變頻調(diào)速恒壓供 水自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分組運(yùn)行的方式，把 1水泵電機(jī)（ 160KW）和 2水泵電機(jī)（ 220KW）分為機(jī)組Ⅰ， 3水泵電機(jī)（ 160KW）和 4水泵電機(jī)（ 220KW）分為機(jī)組Ⅱ?？刂齐娐返慕M間互鎖是通過輸入按鈕，控制 PLC 的輸入端口來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)選擇一組機(jī)組運(yùn)行時(shí)，按下另一組起動(dòng)按鈕則為無效操作。 控制電路設(shè)計(jì) 圖 31 電流互感器的接線圖 12 在控制電路的設(shè)計(jì)中，首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。 變頻器主電路電源輸入端子（ R、 S、 T）經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子（ U、 V、 W）經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子（ U、 V、 W）的任意兩相。 1和 2機(jī)組工作過程流程圖如下： 圖 27機(jī)組Ⅰ工作過程 流程圖 若選擇機(jī)組Ⅱ（ 3和 4水泵電機(jī)）運(yùn)行，其工作過程和上面類似。接著 KM3 得電， 2電機(jī)接至變頻器輸出端 ,接通變頻器 FWD 端，變頻器 BX 端斷開 ,2電機(jī)開始軟起動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開啟 2泵閥門， 2水泵電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。如圖 26所示 : 9 圖 26 變頻調(diào)速恒水位供水自動(dòng)控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)工作過程 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，白天一般只需開動(dòng)一臺(tái)大泵和一臺(tái)小泵，就能滿足生產(chǎn)需 要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開動(dòng)一臺(tái)大機(jī)就能滿足供水需要。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在 H0,因此水泵工作點(diǎn)又沿著轉(zhuǎn)速 n2 所對(duì)應(yīng)的水泵性能曲線從點(diǎn) B 移至 C 點(diǎn)，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運(yùn)行在新的工作點(diǎn) C 點(diǎn)，在圖 3 中可以找出 C 點(diǎn)的揚(yáng)程 HC、流量 QC 以及效率 ?C ，工作點(diǎn) C 的軸功率即為 CH0OQC四點(diǎn)所圍的面積。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。若把水泵的效率曲線 η Q 也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 22 中可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 HA、流量 QA以及效率 ?A。 V/F 控制 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率 f 和極對(duì)數(shù)有關(guān)，改變 f 就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率 f 的上升或者下降可能會(huì)引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變 f的同時(shí)，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動(dòng)機(jī)的效率不下降，這就是V/F 控制。以及其特點(diǎn)。 5． 安裝簡(jiǎn)單，維修方便 。 2．具有豐富的 I/O 接口模塊 。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊 和 各種特殊功能模塊。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化 3 是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、 智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。變頻調(diào)速恒水位供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水 平從 90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。三相異步電動(dòng)機(jī)具有維修方便、價(jià)格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢(shì)。 由于 中小型自來水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r(jià)值。由于對(duì)大量的統(tǒng)計(jì)報(bào)表的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)的分析手段，因此很難為運(yùn)行管理以及調(diào)度提供強(qiáng)有力的決策支持。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水量大幅度上升。 1 第一章 緒 論 變頻調(diào)速恒水位供水的目的和究意義 近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。供水廠以前雖然也進(jìn)行過一些技術(shù)改造，但是生產(chǎn)系統(tǒng)大部分仍然采用人工手動(dòng)控制，生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)仍然依靠人工定時(shí)記錄，例如清水池水位、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、耗電量等都是由值班人員定時(shí)記錄。長(zhǎng)期以來水廠各部門的管理人員采用傳統(tǒng)的人工管理模式，通過手工從事繁重的業(yè)務(wù)管理、各種日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表的統(tǒng)計(jì)匯總等工作。 實(shí)踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個(gè)水廠的整體管理水平，而且僅 節(jié)約用 2 電一項(xiàng)就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點(diǎn)，而且調(diào)速性能可以和直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能相媲美。 自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種 系列化的方向發(fā)展。 70 年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價(jià)格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC 的功能 大大增強(qiáng) 。 PLC 的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知 識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)，我的主要任務(wù)是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)和模糊控制器的設(shè)計(jì)，大體為以下五項(xiàng)內(nèi)容： 1． 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義，變頻器的發(fā)展史一直到廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越來越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術(shù)的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強(qiáng)、無公害化發(fā)展；介紹了 SIEMENS 公司的產(chǎn)品系列史， PLC 與其它工 業(yè)裝置的比較： PLC與